Характеристики ветрового волнения Черного моря
Проведено розрахунок і аналіз характеристик вітрового хвилювання Чорного моря з просторовим розподілом 4,5 км за період 1979–2008 рр. Для розрахунку використовували числову модель Simulating WAves Nearshore (SWAN) і дані ре-аналізу приземного вітру Японського метеорологічного агентства з дискретніст...
Saved in:
| Date: | 2011 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2011
|
| Series: | Доповіді НАН України |
| Subjects: | |
| Online Access: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/38516 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Характеристики ветрового волнения Черного моря / А.Б. Полонский, В.В. Фомин, А.В. Гармашов // Доп. НАН України. — 2011. — № 8. — С. 108-112. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-38516 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-385162012-11-12T12:13:02Z Характеристики ветрового волнения Черного моря Полонский, А.Б. Фомин, В.В. Гармашов, А.В. Науки про Землю Проведено розрахунок і аналіз характеристик вітрового хвилювання Чорного моря з просторовим розподілом 4,5 км за період 1979–2008 рр. Для розрахунку використовували числову модель Simulating WAves Nearshore (SWAN) і дані ре-аналізу приземного вітру Японського метеорологічного агентства з дискретністю 6 год. Для коригування даних ре-аналізу застосовували розрахунки швидкості та напряму вітру на морській стаціонарній платформі (МСП) у північно-західній частині Чорного моря. Верифікацію моделі SWAN проводили за результатами вимірів хвильових характеристик на МСП. Максимальні висоти хвиль (понад 12 м) відзначаються в південно-західній частині Чорного моря при вітрах східних і північно-східних румбів. The calculation and analysis of characteristics of wind waves of the Black Sea are carried out with a spatial resolution of 4.5 km for a period of 1979–2008. The numeral model Simulating WAves Nearshore (SWAN) and the data of reanalysis of the surface wind of the Japanese meteorological agency (JRA) with a resolution of 6 h are used in calculations. Data of reanalysis were corrected by measuring the speed and the direction of winds on a marine stationary platform (MSP) in the north-west part of the Black Sea. Verification of the model SWAN is carried out by the data of measuring the wave characteristics on MSP. It is got that the maxheights of waves (more than 12 m) are registered in the south-west part of the Black Sea at winds of the east and north-east directions. 2011 Article Характеристики ветрового волнения Черного моря / А.Б. Полонский, В.В. Фомин, А.В. Гармашов // Доп. НАН України. — 2011. — № 8. — С. 108-112. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/38516 551.466.2 ru Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Науки про Землю Науки про Землю |
| spellingShingle |
Науки про Землю Науки про Землю Полонский, А.Б. Фомин, В.В. Гармашов, А.В. Характеристики ветрового волнения Черного моря Доповіді НАН України |
| description |
Проведено розрахунок і аналіз характеристик вітрового хвилювання Чорного моря з просторовим розподілом 4,5 км за період 1979–2008 рр. Для розрахунку використовували числову модель Simulating WAves Nearshore (SWAN) і дані ре-аналізу приземного вітру Японського метеорологічного агентства з дискретністю 6 год. Для коригування даних ре-аналізу застосовували розрахунки швидкості та напряму вітру на морській стаціонарній платформі (МСП) у північно-західній частині Чорного моря. Верифікацію моделі SWAN проводили за результатами вимірів хвильових характеристик на МСП. Максимальні висоти хвиль (понад 12 м) відзначаються в південно-західній частині Чорного моря при вітрах східних і північно-східних румбів. |
| format |
Article |
| author |
Полонский, А.Б. Фомин, В.В. Гармашов, А.В. |
| author_facet |
Полонский, А.Б. Фомин, В.В. Гармашов, А.В. |
| author_sort |
Полонский, А.Б. |
| title |
Характеристики ветрового волнения Черного моря |
| title_short |
Характеристики ветрового волнения Черного моря |
| title_full |
Характеристики ветрового волнения Черного моря |
| title_fullStr |
Характеристики ветрового волнения Черного моря |
| title_full_unstemmed |
Характеристики ветрового волнения Черного моря |
| title_sort |
характеристики ветрового волнения черного моря |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Науки про Землю |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/38516 |
| citation_txt |
Характеристики ветрового волнения Черного моря / А.Б. Полонский, В.В. Фомин, А.В. Гармашов // Доп. НАН України. — 2011. — № 8. — С. 108-112. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT polonskijab harakteristikivetrovogovolneniâčernogomorâ AT fominvv harakteristikivetrovogovolneniâčernogomorâ AT garmašovav harakteristikivetrovogovolneniâčernogomorâ |
| first_indexed |
2025-07-03T20:28:57Z |
| last_indexed |
2025-07-03T20:28:57Z |
| _version_ |
1836659022565998592 |
| fulltext |
УДК 551.466.2
© 2011
Член-корреспондент НАН Украины А.Б. Полонский, В. В. Фомин,
А.В. Гармашов
Характеристики ветрового волнения Черного моря
Проведено розрахунок i аналiз характеристик вiтрового хвилювання Чорного моря з про-
сторовим розподiлом 4,5 км за перiод 1979–2008 рр. Для розрахунку використовували
числову модель Simulating WAves Nearshore (SWAN) i данi ре-аналiзу приземного вiтру
Японського метеорологiчного агентства з дискретнiстю 6 год. Для коригування даних
ре-аналiзу застосовували розрахунки швидкостi та напряму вiтру на морськiй стацiо-
нарнiй платформi (МСП) у пiвнiчно-захiднiй частинi Чорного моря. Верифiкацiю моделi
SWAN проводили за результатами вимiрiв хвильових характеристик на МСП. Макси-
мальнi висоти хвиль (понад 12 м) вiдзначаються в пiвденно-захiднiй частинi Чорного
моря при вiтрах схiдних i пiвнiчно-схiдних румбiв.
Возрастающая интенсивность хозяйственной деятельности в Азово-Черноморском бассей-
не, связанная с развитием прибрежной инфраструктуры и освоением нефтяных и газовых
месторождений, обуславливает повышение качества регионального гидрометеорологическо-
го обеспечения. Одной из основных задач такого обеспечения является оценка режимных
(климатических) характеристик ветрового волнения. Для практических приложений осо-
бенно важны характеристики экстремально высоких волн. Для прибрежных районов Чер-
ного моря режимные расчеты (включая повторяемость значительных волн) выполнены по
результатам длительных инструментальных наблюдений за ветром на гидрометеорологи-
ческих станциях (см., например, [1]); для открытых частей моря соответствующие расчеты
по данным наблюдений отсутствуют. Поэтому используются результаты расчетов ветрово-
го волнения, выполненные с применением спектральных моделей (WAve prediction Model
(WAM) и Simulating WAves Nearshore (SWAN)). При этом реалистичность параметров по-
лученного ветрового волнения в значительной мере определяется качеством входных по-
лей ветра. Как правило, для оценки режимных характеристик и экстремального волнения
используются поля ветра атмосферного ре-анализа. Так, в [2] по данным ре-анализа На-
ционального центра прогнозов США (NCEP) приведены характеристики ветроволнового
режима Черного моря с применением модели WAM [3]. Для проверки результатов рас-
четов необходимо привлекать натурные данные. Наличие регулярных ветроволновых на-
блюдений, проведенных в открытой части на северо-западном шельфе Черного моря [4, 5],
позволяет провести валидацию модельных расчетов и уточнить режимные характеристики
ветровых волн в Черном море.
Климатические характеристики ветрового волнения Черного моря с использованием
данных ре-анализа Японского метеорологического агентства (JRA) [6] и модели волне-
ния SWAN [7] представлены в настоящем сообщении. Применяя глобальную спектральную
атмосферную модель с трехмерной вариационной ассимиляцией всех доступных результа-
тов измерений, получены данные ре-анализа JRA. Пространственное разрешение расчет-
ных полей 1,25◦ × 1,25◦. Дискретность доступных результатов ре-анализа по времени —
6 ч. В настоящее время существует массив данных с 1979 по 2008 гг. включительно, что
дает возможность получить климатический режим, в том числе и для ветроволновых ха-
рактеристик.
108 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №8
Модель SWAN учитывает все механизмы волнообразования на глубокой воде и при
этом более адекватно (по сравнению с моделью WAM) описывает физику ветрового волне-
ния в мелководных районах. Модель основана на численном решении уравнения баланса
волновой энергии в спектральной форме:
∂
∂t
N +
∂
∂x
(cxN) +
∂
∂y
(cyN) +
∂
∂ω
(cωN) +
∂
∂θ
(cθN) =
S
ω
. (1)
Здесь N = E/ω — плотность волнового действия; E — энергетический спектр волнения;
x, y и t — пространственные координаты и время; ω и θ — частотная и угловая коорди-
наты. Величины cx, cy, cω, cθ — скорости переноса плотности волнового действия вдоль
соответствующих пространственных и частотно-угловых координат [7]. Функцию источни-
ка в правой части уравнения (1) можно записать так:
S = Sin + Snl + Swc + Sbf + Sdib, (2)
где Sin — источник генерации волн ветром; Snl — нелинейные взаимодействия спектраль-
ных гармоник; Swc — диссипация энергии вследствие обрушения волновых гребней; Sbf —
диссипация энергии, обусловленная донным трением; Sdib — обрушение волн на критичес-
ких глубинах.
Расчеты выполнены на вычислительном кластере Морского гидрофизического институ-
та НАН Украины. Применялась параллельная версия модели SWAN [8]. Волновые харак-
теристики рассчитывались на сетке 246× 160, покрывающей Азово-Черноморский бассейн
с шагом ∼4,5 км. Рельеф дна задавался на той же сетке. Частотный интервал (ωmin 6
6 ω 6 ωmax, где ωmin = 0,05 Гц, ωmax = 1 Гц) покрывался неравномерной сеткой с 25
узлами. Разрешение модели по угловой координате — 20◦. Шаг интегрирования по времени
уравнения (1) — 10 мин. Донное трение определялось, согласно теории Гранта–Мадсена [9].
На входе в модель задавались зональная и меридиональная компоненты вектора ветра
из массива ре-анализа JRA на стандартной высоте 10 м с дискретностью 6 ч. Выходные
характеристики модели: Hs — высота значительных волн (среднее значение высот 1/3 наи-
более высоких волн в спектре волнения); θm — среднее направление распространения волн;
Tm — средний период волн; Tp — пиковый период волн; θp — направление волн, соответ-
ствующее пиковому периоду.
Для настройки модели SWAN было проведено сопоставление результатов моделирова-
ния ветрового волнения с измерениями на морской стационарной платформе, расположен-
ной на северо-западном шельфе Черного моря на глубине ∼30 м в точке с координата-
ми 45◦42,5′ с.ш., 31◦52,5′ в. д. (рис. 1). Здесь, начиная с 1996 г., функционирует автома-
тизированный гидрометеорологический комплекс, измеряющий не только атмосферные ха-
рактеристики, но и волнение (см. врезку на рис. 1). Диапазоны измерения гидрометеороло-
гических параметров и погрешности датчиков приведены в статье [5]; качество измеряемых
данных и методика устранения сбоев — в [4]. Измеренная скорость ветра приводилась к ско-
рости ветра на стандартной высоте (U10) с помощью логарифмической зависимости ветра
с высотой. Параметр шероховатости принимался равным 5 · 10−4 м.
Для настройки поля ветра, генерирующего ветровое волнение в модели, было отобрано
восемь реализаций измерений скорости ветра на платформе с минимальным количеством
сбоев. Установлено, что коэффициент корреляции для всех реализаций находился в преде-
лах 0,8–0,9, а скорость ветра, согласно данным ре-анализа, занижена по сравнению с дан-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №8 109
Рис. 1. Расположение и схема (врезка) морской стационарной платформы в Черном море (цифры в кружках :
1 — положение гидрометеорологического комплекса; 2 — положение волнографа)
Рис. 2. Характеристики ветрового режима в районе измерений в 1999 г.: а — вариации модуля скорости
ветра на платформе (сплошная кривая) и по данным ре-анализа (штриховая кривая) за период с января по
февраль-март 1999 г. (скорость ветра по данным ре-анализа умножена на поправочный коэффициент 1,3);
б — расчетные (штриховая кривая) и измеренные (сплошная кривая) вариации высот значительных волн
в районе платформы за период с октября 1998 г. по март 1999 г.
ными наблюдений на 25–30%. Причина такого занижения — недостаточно хорошее про-
странственное разрешение в ре-анализе JRA, поэтому скорость ветра при расчетах ветро-
вого волнения умножалась на поправочный коэффициент 1,3. Изменчивость скорости вет-
ра по данным ре-анализа хорошо согласуется по фазе с реальной изменчивостью ветра
(рис. 2, а).
Для верификации модели SWAN был выбран 5-месячный интервал (с 01.10.1998 г. по
28.02.1999 г.), охватывающий осенне-зимний штормовой период и имеющий минимальное
количество сбоев. Высоты значительных волн по результатам измерений оценивались фор-
110 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №8
Рис. 3. Поле максимальных значений высоты значительных волн с 1979 по 2008 гг.
Рис. 4. Поле приводного давления (в гПа) для Черноморского региона 9 января 1981 г.
мулой: HM
s = 4
√
m0, где m0 — дисперсия, вычисленная по 17-минутной реализации изме-
рений колебаний взволнованной поверхности. Как видно на рис. 2, б, модель достаточно
адекватно воспроизводит фазы усиления и ослабления ветрового волнения в районе плат-
формы. Коэффициент корреляции между рассчитанными и измеренными высотами волн
превышает 0,8. Среднеквадратическая ошибка зафиксирована на уровне 0,25 м. Модель
несущественно занижает высоты волн (< 0,1 м).
Если принять во внимание, что платформа удалена от наземных метеорологических
станций, по которым усваивалась информация, а положение платформы не является опти-
мальным по отношению к узлам сетки ре-анализа JRA, то полученный результат сопостав-
ления следует признать вполне удовлетворительным.
Расчет характеристик волновых полей Черного моря для периода 1979–2008 гг. пока-
зал, что максимальные высоты волн (> 12 м) отмечались в юго-западной части Черного
моря (рис. 3). Анализ поля приводного давления свидетельствует о том, что во всех слу-
чаях, когда высота волн в этом районе моря превышала 8 м, преобладал устойчивый ветер
восточных или северо-восточных румбов. В качестве примера на рис. 4 приведено такое
поле для 9 января 1981 г., когда высота волн в юго-западной части моря превышала 12 м.
Статистические расчеты показали, что обеспеченность 10-метровых волн в этом районе со-
ставляет 7 · 10−3% (т. е. приблизительно 1 раз в 10 лет). Период таких волн — около 14 с,
а длина — около 100 м.
Таким образом, в Черном море возможны экстремально высокие волны высотой бо-
лее 12 м, даже если не рассматривать особенно интенсивные волны (так называемые вол-
ны-убийцы), которые плохо описываются спектральными моделями [10].
Работа выполнена в рамках национального академического проекта “ГРИД-МГИ” при под-
держке гранта 7-й рамочной программы THESEUS.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №8 111
1. Воскресенская Е.Н., Наумова В.А., Евстигнеев М.П., Евстигнеев В.П. Классификация синопти-
ческих процессов в Азово-Черноморском бассейне // Эколог. безопасность прибрежн. и шельф. зон
и комплексное использование ресурсов шельфа. – 2009. – Вып. 19. – С. 386–394 – [Сб.].
2. Ефимов В. В., Комаровская О.И. Атлас экстремального ветрового волнения Черного моря. – Сева-
стополь: НПЦ “ЭКОСИ-Гидрофизика”, 2009. – 59 с.
3. WAMDI group. The WAM model – a third generation ocean wave prediction model // J. Phys. Oceanogr. –
1988. – 18. – P. 1775–1810.
4. Полонский А.Б., Гармашов А.В., Коровушкин А.И., Толокнов Ю.Н. Изменчивость характеристик
ветра в северо-западной части Черного моря с 1996 по 2001 гг. // Системы контроля окруж. среды. –
2008. – С. 320–325. – [Сб.].
5. Толокнов Ю.Н., Коровушкин А.И., Козлов К.Г. Автоматизированный гидрометеорологический
комплекс // Там же. – 1998. – С. 12–17. – [Сб.].
6. Onogi K., Tsutsui J, Koide H. et al. The JRA – 25 Reanalysis // J. Meteor. Soc. Jap. – 2007. – 85. –
P. 369–432.
7. Booij N., Ris R.C., Holthuijsen L.H. A third-generation wave model for coastal regions. Model description
and validation // J. Geophys. Res. – 1999. – 104(C4). – P. 7649–7666.
8. SWAN Cycle III version 40.72, User Manual. – Delft: Delft Univ. Technol., Netherlands, 2008. – 117 p.
9. Grant W.D., Madsen O. S. Combined wave and current interaction with a rough bottom // J. Geophys.
Res. – 1979. – 84(C4). – P. 1797–1808.
10. Доценко С.Ф., Иванов В.А. Волны-убийцы // Cб. Мор. гидрофиз. ин-та НАН Украины. Сер. Соврем.
пробл. океанологии. Вып. 1. – Севастополь, 2006. – 44 с.
Поступило в редакцию 20.12.2010Морской гидрофизический институт
НАН Украины, Севастополь
Corresponding Member of the NAS of Ukraine A.B. Polonsky, V.V. Fomin,
A.V. Garmashov
Characteristics of wind waves of the Black Sea
The calculation and analysis of characteristics of wind waves of the Black Sea are carried out with
a spatial resolution of 4.5 km for a period of 1979–2008. The numeral model Simulating WAves
Nearshore (SWAN) and the data of reanalysis of the surface wind of the Japanese meteorological
agency (JRA) with a resolution of 6 h are used in calculations. Data of reanalysis were corrected
by measuring the speed and the direction of winds on a marine stationary platform (MSP) in the
north-west part of the Black Sea. Verification of the model SWAN is carried out by the data of
measuring the wave characteristics on MSP. It is got that the maxheights of waves (more than
12 m) are registered in the south-west part of the Black Sea at winds of the east and north-east
directions.
112 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №8
|